CC BY
23
выходного сигнала, что позволяет использовать квадратуры с ошибкой 0.750...1.650 без ухудшения спектра выходного радиочастотного сигнала, поскольку их уровень будет ниже уровня интермодуляций третьего порядка.
Источник финансирования
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы». Уникальный идентификатор работ RFMEFI57417X0164
Список литературы
1. Молодцов А. С., Косых А. В. Анализ работы декартовой (cartesian) системы обратной связи в радиочастотных усилителях мощности // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2013. № 2 (120). С. 312-314.
2. Фахрутдинов Р. Р., Завьялов С. А. Аналоговый генератор квадратур гетеродина для интегральной синфаз-но-квадратурной петли СВ-КВ диапазона в техпроцессе 180 нм // Россия молодая: Передовые технологии - в промышленность. 2017. № 1. С. 290-297.
3. Crips S. RF Power Amplifiers for Wireless Communication I Artech house. London, 2006. P. 435.
4. Dawson J. L., Lee T. H. Cartesian Feedback for RF Power Amplifier Linearization II Proceeding of the 2004 American Control Conference, Boston, Massachusetts. 2004. Vol.1. P. 355-360.
5. Wood J. Behavioral Modeling and Linearization of RF Power Amplifiers I Artech house. London, 2014. P. 109.
6. Zanchi M. G., Stang P., Kerr A., Pauly J. M., Scott G. C. Frequency-Offset Cartesian Feedback for MRI Power Amplifier Linearization II IEEE Transactions on Medical Imaging, 2011. Vol. 30, Is. 2. P. 512-522.
7. Briffa M. A. Linearization of RF Power Amplifiers II A thesis of PhD. 1996.
УДК 621.317.39
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ГРАДИЕНТА НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ ОСЦИЛЛИСТОРА
А. И. Чередов1, А. В. Щелканов1, Р. А. Ахмеджанов2, Е. О. Коренев2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия
DDI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-282-286
Аннотация - Для неразрушающего контроля ферромагнитных объектов применяются измерители градиента напряженности магнитного поля. В работе рассмотрена возможность построения градиентометра напряженности магнитного поля с использованием в качестве магниточувствительного преобразователя осциллистора из электронного германия. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований пороговой напряженности магнитного поля и зависимости выходной частоты осциллистора от напряженности магнитного поля. Приведена схема магниточувствительного преобразователя, состоящая из двух осциллисторов, помещенных в магнитное поле, градиент которого измеряется. Показано, что разность частот осциллисторных колебаний пропорциональна градиенту напряженности магнитного поля. Эта зависимость может быть использована для построения градиентометра напряженности магнитного поля.
Ключевые слова: напряженность магнитного поля, градиентометр, осциллистор, частотный выходной сигнал.
I. Введение
В настоящий момент на производстве часто требуется определять различные параметры магнитного поля, одним из которых является градиент напряженности магнитного поля. Средства для измерения этих величин используются в электротехнике, измерительной технике, приборостроении, медицине, биологии при исследованиях в постоянных магнитных полях, в частности, в процессах сборки различных магнитных систем, измерениях межполюсных зазоров электромагнитов и каналах соленоидальных систем и т. д. Одной из областей ис-
пользования измерителей градиента напряженности магнитного поля является неразрушающей контроль различных ферромагнитных объектов.
Известные градиентометры напряженности магнитного поля содержат, как правило, две полупроводниковые пластины с холловскими и токовыми выводами (преобразователи Холла), расположенные параллельно, сверхпроводящие квантовые интерферометры с приемными контурами, гальваномагнито-рекомбинационные чувствительные элементы, магниторезистивные преобразователи.
Одним из наиболее широко распространенных типов градиентометров напряженности магнитного поля является магнитомодуляционный (феррозондовый) преобразователь.
Следует отметить, что большинство первичных измерительных преобразователей напряженности магнитного поля имеют в качестве информативного параметра выходного сигнала изменение его амплитуды. Учитывая, что частотный выходной сигнал обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с амплитудным, разработка преобразователей с частотным выходным сигналом представляет большой интерес.
В данной работе рассматривается возможность создания градиентометра напряженности магнитного поля с частотным выходным сигналом.
В настоящее время известны физические эффекты и явления в твердых телах или системах, проявляющиеся в том, что при выполнении определенных условий в этих телах возникают электрические колебания, частота которых зависит от различных факторов. Одним из таких эффектов является осциллисторный эффект, открытый в середине ХХ века советскими учеными Ю. Л. Ивановым и С. М. Рывкиным. При исследовании токовых неустойчивостей в полупроводниках они обнаружили, что при помещении стержня из электронного германия в электрическое и магнитное поля, силовые линии которых параллельны оси стержня, и превышении напряжен-ностей полей некоторых критических значений, в стержне возникают колебания электрического тока [1]. Позднее этот эффект был обнаружен в кремнии (&') и антимониде индия (7п5Ь). В основе этого эффекта лежит явление винтовой неустойчивости электронно-дырочной плазмы полупроводникового образца.
Частота осциллисторных электрических колебаний зависит от изменения напряженностей электрического и магнитного полей. Эти свойства осциллисторного эффекта позволяют использовать его для построения измерительных преобразователей (ИП) различных физических величин.
Зависимость частоты от напряженности магнитного поля дает возможность использовать осциллисторный эффект для построения преобразователя магнитного поля с частотным выходным сигналом, на основе которого может быть реализован градиентометр напряженности магнитного поля.
II. Теория
Для осциллистора из близкого к собственному полупроводника зависимость частоты электрических колебаний от магнитной индукции на пороге возбуждения определяется выражением [2]:
где Ба - коэффициент амбиполярной диффузии; и ^р - подвижности электронов и дырок; а - поперечный размер образца.
Осциллисторный эффект носит пороговый характер. Пренебрегая различными нелинейными эффектами для осциллистора из полупроводника, зависимость частоты от напряженности магнитного поля может быть представлена в виде:
где /0 - начальная частота на пороге возбуждения, определяемая напряженностью электрического поля; п и р - концентрации электронов и дырок; Бп и Бр - коэффициенты диффузии электронов и дырок; 2а - поперечный размер осциллистора; Н - напряженность магнитного поля; К - коэффициент преобразования осциллистора.
Таким образом, на основе осциллистора может быть реализован преобразователь индукции или напряженности магнитного поля с частотным выходным сигналом. В работе [3] приведена статическая характеристика преобразователя магнитной индукции на основе осциллистора из высокоомного электронного германия, чувствительность которого в диапазоне (0.4.. .1.2) Тл достигает 20 кГц/Тл. Подобный магниточувствительный преобразователь может быть использован также и для построения преобразователя градиента напряженности постоянного магнитного поля. Для измерения градиента напряженности постоянного магнитного поля необходи-
(1)
(2)
мо два идентичных осциллистора расположить на минимальном расстоянии АХ друг от друга параллельно силовым линиям магнитного поля. В однородном (равномерном) магнитном поле напряженность магнитного поля Н в первом осциллисторе будет равна напряженности Н2 во втором. В этом случае градиент напряженности магнитного поля будет равен нулю и частоты и /2 осциллисторных колебаний в обоих осциллисторах также будут равны. При помещении осциллисторов в неоднородное магнитное поле, т. е. когда Н Ф Н2 (например, Н2 > Нх), значения частот осциллисторных колебаний также не будут равны,Ф/2.
Используя выражение (2), получим:
Д/ = 0с + КН2)-(/о + ) = К(и2 -Нх). (3)
При разнесении осциллисторов между собой на минимальное базовое расстояние АХ=Х2-Х1 поперек магнитного поля, преобразуя формулу (3), можно получить выражение для оценки градиента напряженности магнитного поля в виде:
Н - Н
Д/ = ДХ • К 2 1 = Sgrad(Нх) , (4)
АХ
где S - чувствительность преобразователя градиентометра.
Формула (4) показывает, что разность частот Af осциллисторных колебаний пропорциональна градиенту напряженности магнитного поля. Эта зависимость может быть использована для построения градиентометра напряженности магнитного поля.
III. Результаты экспериментов Результаты экспериментальных исследований осциллисторов из электронного германия, изготовленных в виде брусков квадратного сечения со стороной, равной 2а = 0.6 мм, и длиой 4 мм, для разных значений напряженности электрического поля показаны на рис. 1.
20 -I—
24 44 64 34 104 124
Напряженность магнитного поля, Н,10Е-2 (А/см}
Рис. 1. Зависимость частоты осциллисторных колебаний от напряженности магнитного поля: 1- Е = 100 В/см; 2 - Е = 75 В/см; 3 - Е = 50 В/см
На рис. 2 показаны экспериментальные зависимости пороговой индукции магнитного поля от напряжения, приложенного к датчику с осциллистором из электронного германия, легированного сурьмой, длиной 4 мм.
1
о
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Напряжение^ U(B)
Рис. 2. Зависимость частоты осциллисторных колебаний от напряжения: 1- T = 297 K; 2 - T = 77 K
На рис. 3 схематично показано устройство подобного градиентометра. Чувствительные элементы (осцилли-сторы) градиентометра выполнены в виде стержней из полупроводникового материала. Для создания электронно-дырочной плазмы и электрического поля осциллистор снабжен торцевыми омическим и инжектирующим электродами. Инжектирующий электрод обладает свойствами смещенного в прямом направлении p-n перехода. Эти электроды подключаются к источнику постоянного напряжения. Вывод осциллисторных колебаний во внешнюю цепь может быть осуществлен с помощью омического электрода, размещенного на боковой поверхности осциллистора.
Hi Нг
3
1 2
Рис. 3. Схема градиентометра напряженности магнитного поля: 1, 2 - осциллистор; 3 - инжектирующий электрод; 4, 5 - омический электрод; 6 - источник питания; 7 - устройство вычитания частот
Одной из характеристик градиентометров является их чувствительность, значение которой зависит от базы магниточувствительного преобразователя. Здесь базой является минимальное расстояние между осциллистора-ми, которое определяется их поперечным размером.
Ранее отмечено, что осциллисторный эффект наблюдается в магнитном поле, напряженность которого превышает некоторое пороговое значение. Для заданного значения напряженности электрического поля пороговая напряженность магнитного поля может быть найдена по формуле [2]:
„ 6КОа 1 7 (Р1Р ) 1
вп =-— •—~---Г^-П--— • (5)
m^l E a np^Hp [pp +Ml') E
Значение напряженности ВП зависит от параметров материала осциллистора и уменьшается с увеличением напряженности электрического поля.
При использовании данных осциллисторов база магниточувствительного преобразователя градиентометра может быть получена менее одного миллиметра. Приняв значение базы равным одному миллиметру, получим чувствительность градиентометра, равную S ~ 0,15 Гц/(А/см2).
Чувствительность преобразователя градиентометра зависит от коэффициента преобразования К осцилли-стора, который определяется параметрами материала и размерами осциллистора. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования осциллисторов из 8/, Ое, 1п8Ь показали, что коэффициент К осциллистора из 1п8Ь существенно выше, чем у осциллисторов из 81 и Ое. Анализ показывает, что использование осциллисторов из 1п8Ь ползволяет повысить чувствительность градиентометра на порядок и более.
Так как осциллисторный эффект носит пороговый характер, градиентометры работают в полях, напряженности которых выше пороговых значений. Для осциллисторных преобразователей из германия при напряжениях, приложенных к осциллистору не вызывающих его нагрев, пороговая напряженность достигает (2000.3000) А/см. При использовании осциллисторов из Si напряженность пороговых полей достигает (7000 .8000) А/см. В случае 1п8Ь значение напряженности порогового поля достигает (50.60) А/см.
Таким образом, осциллисторные преобразователи из 1п8Ь характеризуются более высокой чувствительностью и меньшим значением пороговой напряженности магнитного поля. Но антимонид индия характеризуется малой шириной запрещенной зоны, и, вследствие этого, даже при малых значениях напряженности электрического поля в осциллисторе происходит изменение параметров полупроводниковой плазмы. Кроме того, на параметры плазмы оказывают сильное влияние различные внешние факторы. Все это обусловливает большую нестабильность характеристик осциллистора из 1п8Ь. Проведенные исследования показали, что наиболее пригодными материалами для создания осциллисторных градиентометров являются германий и кремний.
VI. Заключение
Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований зависимости параметров осцилли-сторов от напряженности магнитного поля показал возможность их использования для построения осцилли-сторных градиентометров с частотным выходом, обладающих достаточно высокой чувствительностью и работающих в сравнительно сильных магнитных полях.
Список литературы
1. Иванов Ю. Л., Рывкин С. М. Возникновение колебаний тока в образцах германия, помещенных в электрическое и продольное магнитное поле // Журнал технической физики. 1958. Т. 28. С. 54-56.
2. Hurwitz С. E., Mc Whorter A. L. Grawing helical density waves in semiconductor plazmas // Physical Review. A. 1964. Vol. 134A. P. 1033-1050.
3. Alexandr I. Cheredov; Andrey V. Shchelkanov. Metrological characteristics of measuring converters based on os-cillistor effect // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7818993.
